一種熱解氣化裝置和工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱解氣化裝置和工藝，特別是一種基于半焦的催化活性和自熱攜帶能力的三塔式高通量半焦循環(huán)流化床煤或煤和生物質(zhì)的混合物熱解氣化工藝。屬于低階煤或煤和生物質(zhì)的混合物熱解-氣化-燃燒耦合的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化分級利用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是我國的主要能源，在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，仍將在我國的能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，其中，以褐煤和低變質(zhì)煙煤為代表的低階煤儲(chǔ)量占煤資源總量的55%以上。隨著高變質(zhì)煤種越來越少，低階煤的優(yōu)化利用日顯重要。而低階煤煤化程度低、含水量高，直接燃燒或氣化效率低、污染物和碳排放量大，無法充分利用其資源價(jià)值，導(dǎo)致了煤炭資源的巨大浪費(fèi)。
[0003]低階煤熱解是其高效利用的重要方法之一。根據(jù)低階煤的組成和結(jié)構(gòu)特征，把煤的熱解、氣化、燃燒及其它過程有機(jī)結(jié)合已取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，但現(xiàn)有熱解耦合技術(shù)存在著工藝流程長、設(shè)備多、能耗高以及操作控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。中國發(fā)明專利CN 102504842A根據(jù)煤中不同組分在不同轉(zhuǎn)化階段反應(yīng)性不同的特點(diǎn)，以高溫循環(huán)灰為固體熱載體，熱解-氣化-燃燒三流化床為核心裝置，旨在提高煤轉(zhuǎn)化效率和利用效率，減小投資、降低成本。但該工藝存在如下不足:首先，由于高溫循環(huán)灰粒度小，存在熱解煤氣含塵量高，容易造成管路堵塞和粉塵-焦油難以分離等問題，而且采用高溫循環(huán)灰作為熱載體，灰的熱值低、密度低，傳熱效率不高；其次，該工藝所用的熱解裝置為鼓泡流化床熱解器，該床型中低階煤顆粒停留時(shí)間分布較廣，不同煤顆粒所處反應(yīng)階段存在顯著差異，降低了對目標(biāo)產(chǎn)物焦油的選擇性和熱解效率，不利于高品質(zhì)焦油的生成。因此，該工藝存在出油率低、重油組分含量高、焦油提純困難以及熱能利用率低等不足。中國發(fā)明專利CN201410077858.8提出了一種包括循環(huán)流化床鍋爐、移動(dòng)床熱解反應(yīng)器和氣化爐的煤熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)裝置，將移動(dòng)床氣化爐作為熱解煤氣的凈化裝置對熱解煤氣在線除塵。該工藝?yán)醚h(huán)流化床鍋爐的高溫循環(huán)灰作為熱載體，同樣存在高溫循環(huán)灰熱載體的缺陷，且采用移動(dòng)床熱解器和氣化爐反應(yīng)效率低、無法實(shí)現(xiàn)快速熱解，且難以控制熱解焦油品質(zhì)。日本東京大學(xué)(ChemicalEngineering Science, 66 (18) (2011)4212-4220 ;Chemical Engineering Journal, 164(2010) 221-229 Advanced Powder Technology, 25 (I) (2014) 379-388)基于自熱再生理論提出了 “新型高密度三塔式循環(huán)流化床氣化工藝”，該工藝創(chuàng)新性的將熱解器調(diào)整為下行床型，實(shí)現(xiàn)了對熱解反應(yīng)時(shí)間的精確調(diào)控；同時(shí)在熱解半焦顆粒進(jìn)入氣化器前將熱解產(chǎn)物分離，避免了熱解揮發(fā)份的存在對熱解半焦氣化生成合成氣的抑制作用。但該工藝采用石英砂作為固體載熱顆粒，導(dǎo)致該裝置存在動(dòng)力消耗大、設(shè)備磨損嚴(yán)重等問題；同時(shí)載熱介質(zhì)與煤顆粒密度差較大，運(yùn)行過程容易產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，不利于傳熱過程的進(jìn)行，進(jìn)而影響快速熱解的效率。中國發(fā)明專利CN201210064139.3采用高溫半焦作為載熱體在流化床熱解爐和流化床半焦加熱爐之間循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)煤氣、焦油、半焦和蒸汽聯(lián)產(chǎn)。但該工藝采用的熱解爐和半焦加熱爐均為傳統(tǒng)的鼓泡流化床型，熱解及燃燒效率低，無法對熱解時(shí)間精確控制獲得高品質(zhì)熱解油，且缺少氣化工序以致半焦產(chǎn)品得不到充分利用。上述工藝均未考慮利用高溫半焦顆粒的催化活性和多孔吸附性能來增加出油率和油品品質(zhì)，高溫半焦自身攜帶的熱量也未得到充分利用。
[0004]生物質(zhì)能是一種可再生新能源，在化石能源日漸枯竭的背景下開發(fā)利用生物質(zhì)燃料不僅能緩解能源危機(jī)，而且可以減輕環(huán)境污染，同時(shí)節(jié)省能源。因此，生物質(zhì)熱解、氣化作為大規(guī)模利用生物質(zhì)能的技術(shù)手段也越來越得到人們的重視，但生物質(zhì)的能量密度低，單獨(dú)用于熱解或氣化時(shí)溫度較低、過程不易控制、設(shè)備易腐蝕、生成焦油多，不僅降低其利用效率，而且會(huì)造成二次污染，使單獨(dú)熱解或氣化的規(guī)模受到限制。與燃料煤相比，生物質(zhì)形成的時(shí)間短，其結(jié)構(gòu)疏松，熱解、氣化和燃燒過程具有自己的特點(diǎn)。生物質(zhì)與煤混和燃燒能夠減少硫氧化物和氮氧化物的排放，生物質(zhì)與煤的混合熱解過程中兩者會(huì)有不同程度的協(xié)同作用，如生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的富氫氣體可以作為煤加氫熱解的氫源。而且生物質(zhì)的反應(yīng)活性一般高于煤，大多數(shù)生物質(zhì)氣化后生成的半焦往往具有更高的催化活性，對煤或生物質(zhì)熱解都有不同程度的催化促進(jìn)作用。因此將生物質(zhì)與煤共熱解或氣化，既克服了生物質(zhì)單獨(dú)熱解或氣化過程中的各種問題，又可彌補(bǔ)煤炭資源的短缺，而且無論從生態(tài)學(xué)還是經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度分析，都是最可行的利用方式之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種基于半焦的催化活性和自熱攜帶能力的三塔式高通量半焦循環(huán)流化床煤或煤和生物質(zhì)的混合物熱解氣化工藝，是一種集燃燒、熱解、氣化于一體的結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境友好、能耗低、出油率高、油品好的工藝。
[0006]本發(fā)明提供了一種熱解氣化裝置，其特征在于，包括燃燒器、熱解器、氣化器三個(gè)主反應(yīng)器，所述熱解器為下行床快速熱解器，氣化器為鼓泡床氣化器，燃燒器為上行床氧化燃燒器；下行床快速熱解器中上部設(shè)有原料入口，原料入口上方為分布器，下行床快速熱解器底部連接慣性分離器；慣性分離器側(cè)面依次連接第一旋風(fēng)分離器，第一布袋除塵器，第一冷卻器；慣性分離器底部連接鼓泡床氣化器；鼓泡床氣化器上端與第一旋風(fēng)分離器相通，底部設(shè)有水蒸氣、氧氣入口，鼓泡床氣化器上部側(cè)面依次連接第二旋風(fēng)分離器，第二布袋除塵器，第二冷卻器，鼓泡床氣化器下部側(cè)面連接上行床氧化燃燒器；上行床氧化燃燒器底部設(shè)有氧氣、空氣入口，上行床氧化燃燒器頂部設(shè)有高溫循環(huán)半焦出口通往第三旋風(fēng)分離器，第三旋風(fēng)分離器依次連接第四旋風(fēng)分離器，第三布袋除塵器，第三冷卻器，第三旋風(fēng)分離器底部連接下行床快速熱解器的分布器，且第四旋風(fēng)分離器底部連接分布器；所述第二冷卻器底部設(shè)有軟化水入口，第二冷卻器與第一冷卻器、第三冷卻器串聯(lián)連接，第三冷卻器頂部連接高壓蒸汽鍋爐，高壓蒸汽鍋爐頂部連接鼓泡床氣化器的底部水蒸氣入口。
[0007]本發(fā)明提供了一種熱解氣化工藝，采用上述熱解氣化裝置，用于煤或煤和生物質(zhì)的混合物的熱解氣化，包括以下步驟:
(O下行床快速熱解器中的反應(yīng):原料煤或煤和生物質(zhì)的混合物顆粒從下行床快速熱解器頂部加入，與來自上行床氧化燃燒器的高溫循環(huán)半焦顆粒混合，原料煤或煤和生物質(zhì)的混合物顆粒被快速加熱實(shí)現(xiàn)快速催化熱解，析出揮發(fā)份并生成熱解半焦顆粒，揮發(fā)份被高溫循環(huán)半焦顆粒吸附并進(jìn)行催化解聚獲得高品質(zhì)熱解油和煤氣；
(2)下行床快速熱解器中的后序處理:熱解半焦顆粒與揮發(fā)份通過慣性分離器分離，析出的揮發(fā)份經(jīng)布袋除塵器和冷卻器處理，冷凝部分為液態(tài)高品質(zhì)焦油，未冷凝部分為中高熱值的熱解煤氣；
(3)鼓泡床氣化器的反應(yīng)及后序處理:煤或煤和生物質(zhì)的混合物熱解生成的新鮮半焦顆粒與循環(huán)半焦顆粒被送入鼓泡床氣化器，與氣化劑發(fā)生氣化反應(yīng)生成合成氣，合成氣通過分離器分離后，經(jīng)布袋除塵器和冷卻器處理后用作化工原料；
(4)上行床氧化燃燒器的反應(yīng)及后序處理:氣化器中剩余半焦顆粒被送入上行床氧化燃燒器，通過控制鼓入氧氣和空氣進(jìn)行部分氧化燃燒，獲得大量高溫循環(huán)半焦顆粒；該高溫循環(huán)半焦顆粒進(jìn)入下行床快速熱解器中反應(yīng)。
[0008]上述工藝中，所述原料煤是低階煤，所述生物質(zhì)為農(nóng)林廢棄物；進(jìn)一步地，所述農(nóng)林廢棄物為樹木。
[0009]上述工藝中，在三個(gè)主反應(yīng)器中分布有循環(huán)載熱介質(zhì)，所述循環(huán)載熱介質(zhì)為具有催化活性的高溫多孔半焦顆粒。
[0010]上述工藝中，所述步驟(3 )中的氣化劑為水蒸氣和氧氣，所述水蒸氣與氧氣的摩爾比控制在100:1-10。
[0011 ] 上述工藝中，所述上行床氧化燃燒器的運(yùn)行溫度為950-1100C,運(yùn)行壓力為0.1-3
MPa0
[0012]上述工藝中，所述下行床快速熱解器的運(yùn)行溫度為850-900 °C，運(yùn)行壓力為
0.1-0.2 MPa0
[0013]上述工藝中，所述鼓泡床氣化器的運(yùn)行溫度為800_850°C，運(yùn)行壓力為0.1-5 MPa。
[0014]上述工藝中，所述上行床氧化燃燒器中鼓入氧氣的量為氧氣、空氣加入總量的5-10%ο
[0015]本發(fā)明在三塔式循環(huán)流化床熱解氣化裝置中對原料進(jìn)行分級高效利用，實(shí)現(xiàn)了增加出油率和提高油品品質(zhì)、同時(shí)附帶熱解煤氣和合成氣等的聯(lián)產(chǎn)，帶來的有益效果:
(1)半焦顆粒與煤或生物質(zhì)顆粒密度相近，在反應(yīng)系統(tǒng)中不易產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，傳熱效果好；另外，半焦比熱較低，燃燒放出的熱量可以更好地提高循環(huán)半焦溫度，增大半焦與煤或生物質(zhì)顆粒的溫差，提高傳熱速率，使下行床中的煤或生物質(zhì)顆?？煽焖贌峤猥@得更多的燃料油，同時(shí)也降低了床層所需高度；
(2)半焦顆粒密度低，與傳統(tǒng)惰性載熱顆粒相比，整個(gè)系統(tǒng)可以在低動(dòng)力消耗的情況下實(shí)現(xiàn)循環(huán)載熱顆粒的高通量化；
(3)半焦質(zhì)地較惰性載熱顆粒柔軟，能減少系統(tǒng)的磨損；
(4)高熱多孔半焦顆粒能夠吸附熱解生成的焦油，并利用半焦的催化活性使焦油在半焦顆粒孔道內(nèi)活性位點(diǎn)發(fā)生催化解聚反應(yīng)，降低熱解焦油碳鏈長度，提高出油率及焦油品質(zhì)；
(5)下行床中由煤或生物質(zhì)的快速熱解獲得的新鮮半焦顆粒，可以補(bǔ)充循環(huán)半焦顆粒在提升管燃燒器中因部分燃燒及在流化床氣化器中因水蒸氣氣化而造成的損失，從而實(shí)現(xiàn)三塔式循環(huán)熱解氣化器的整體物料平衡，使整體運(yùn)行穩(wěn)定；
(6)下行床具有停留時(shí)間短、分布均一的特點(diǎn)，是熱解這類型短接觸快速反應(yīng)的理想反應(yīng)器。
【附圖說明】
[0016]圖1為熱解氣化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中:I原料入口，2分布器，3下行床快速熱解器，4慣性分離器，5第一旋風(fēng)分離器，6第一布袋除塵器，7第一冷